Investigation of the liquid-vapor phase change in microcapillaries simulating the leaks in static gaskets
Contribution à l'étude du changement de phase liquide-vapeur dans des capillaires micrométriques en vue des applications aux étanchéités statiques
Abstract
This investigation is aimed at the understanding of the liquid-vapor phase change in the micrometric paths (leak) formed in the contact region between two rough metallic surfaces (flanges) and a static gasket. The main objective is to evaluate the consequences of the phase change on the value of the flow rate. The leakage geometry is assimilated to a capillary tube of circular section and micron size diameter. The inlet and outlet pressures correspond respectively to liquid and vapor phase conditions. Phase change shall occur when the local pressure along the capillary falls below the saturation pressure because no heat is provided to the fluid across the capillary wall. Conservation and interfacial equations are written in non dimensional form in order to identify, by a phenomenological analysis, the preponderant mechanisms of boiling of R134a in confined spaces. It is shown that phase change occurs by heterogeneous nucleation and that the growth of the resulting vapor bubble is controlled by thermal phenomena. An experimental facility allowing the visualization of phase change in glass capillary tubes of circular cross section with diameters ranging from 20 to 100 $\mu m$ was fabricated. The visualization was performed using either a high speed camera or a webcam. From these visualizations, the consequences of phase change on the flow rate can be estimated. Experiments are conducted using a strict protocol guaranteeing that the equilibrium conditions are reached. According to chronological variations in the downstream pressure, no phase change occurs in the capillary : liquid is superheated till the outlet.
Ce travail a pour objet la compréhension de la phénoménologie du changement de phase liquide-vapeur lors de l'écoulement d'un fluide dans des chemins de fuite micrométriques, résultants du contact imparfait entre deux pièces métalliques du fait de la rugosité des parois. Le but est de déterminer l'influence du changement d'état du fluide sur la valeur du débit de fuite par rapport à un écoulement monophasique. Le chemin de fuite est assimilé à un capillaire micrométrique de section circulaire, aux extrémités duquel les conditions de pression correspondent à l'état liquide en entrée et à l'état vapeur en sortie. L'étude se limite aux situations où le changement de phase est obtenu par une chute de la pression locale le long du capillaire, sans apport de chaleur complémentaire à la paroi. L'ensemble des équations phasiques et interfaciales sont rendues sans dimension afin d'identifier, par une analyse phénoménologique, les mécanismes prépondérants lors de l'ébullition du R134a en espace confiné. Il est montré que le changement de phase intervient par nucléation hétérogène et que la croissance des bulles de vapeur ainsi formées est contrôlée par les phénomènes thermiques. Un dispositif expérimental est conçu pour observer le changement de phase dans des capillaires en verre, dont le diamètre intérieur est compris dans une gamme de 20 à 100 $\mu m$. Un protocole d'essais très strict est suivi au cours des expériences pour s'assurer que les conditions d'équilibre sont atteintes. L'évolution de la taille des inclusions gazeuses, quand elles se produisent, est relevée à l'aide d'une caméra rapide ou d'une webcam. A partir de ces visualisations, on peut estimer l'effet du changement de phase sur le débit de fuite. Selon l'historique de variation de la pression en aval du capillaire, il existe une situation où aucune bulle de vapeur ne se forme, le liquide supportant la surchauffe jusqu'à la sortie.